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Verbrennungskraftmaschine mit gegenläufigen Kolben. Die Erfindung
bezieht sich auf eine Vurbrennungskraftmaschine mit gegenläufigen Kolben, von denen
der eine die doppelte Hubzahl des anderen besitzt und deren Hubräume sich überschneiden.
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Die bisher bekannten Maschinen dieser Art haben bedeutende Energieverluste.
Diese ,nistehen. weil der Ansaugeraum im Zylinder größer ist als der Expansionsraum,
dadurch, daß die verbrannten Gase sich nur unvollkommen ausdehnen und daher mit
hoher Endspannung und starkem Auspuffgeräusch ins Freie treten, sowie dadurch, daß
die angesaugte frische Luft mit den heißen Rückständen
der Vorperiode
vermischt wird, wodurch die Temperatur des ganzen Prozesses höher wird und der Verdichtungsraum
größer sein muß als bei reiner, kühler Ladung.
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Bei den bekannten Maschinen leistet außerdem beim Expansionshub nur
der eine Kolben Nutzarbeit, während der andere sich dem Explosionsdruck entgegen
bewegt.
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Demgegenüber besteht die neue Erfindung darin, daß die Kolben bei
der Expansion gegenläufig sind und an ihrem Ende hvide Kolben in ihrem äußeren Totpunkt
stehen, während am Ende der Einsaugperiode der eine Kolben im äußeren Totpunkt und
der andere Kolben im inneren Totpunkt steht.
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Eine weitere Erfindung besteht darin, daß die mit halber Umdrehungszahl
laufende Kurbel bei Stellung der Kolben in den genannten Totpunktlagen um einen
geringen Winkel vor- oder nacheilt.
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Neu ist auch, daß der eine der beiden bei der Expansion gegenläufigen
Kolben durch den Boden eines frei schwingenden Zylinders gebildet wird, dessen Ein-
und Aüslaßöffnung durch Gleiten des Zylinders auf einem feststehenden Sc'hieberspiegel
gesteuert wird.
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Hauptzweck des zweiten Kolbens ist beim Erfindungsgegenstand die Ermöglichung
einer weitgehenden Expansion in kürzester Zeit und damit Einschränkung der Erhitzung
der Zylinder und höchstmögliche Ausnutzung -des Brennstoffes.
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Die Erfindung läßt sich in verschiedener Weise ausführen. Sie ist
in der Zeichnung beispielsweise in einer Ausführungsform veranschaulicht, und zwar
zeigt Abb. i in vier Stellungen eine schematische Darstellung der Kolbenlagen bei
Anwendung zweier gegenläufiger Kolben.
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Abb.2 zeigt das Kolbendiagramm mit den Zugehörigen Kolbenlagen.
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Abb.3 zeigt eine andere Ausführung der Maschine schematisch in vier
Kolbenstellungen mit schematischer Darstellung der Steuerungsöffnungen.
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Aus Abb. i ist ersichtlich, daß im Zylinder a zwei gegenläufige
Kolben b, b1 angeordnet sind, die mittels der Pleuelstangen c, c, unmittelbar
auf die zugehörigen Kurbelwellen d, d1 arbeiten. Die Kurbelwellen
d, dl besitzen verschiedene Umdrehungszahlen, und zwar 'im Verhältnis von
7-:1, und sind durch Übersetzungsmittel, beispielsweise Kettenverbindung e, verbunden.
Durch diese zwangläufige Kupplung wird erreicht, daß auf eine Umdrehung der Welle
d eine halbe Umdrehung der Welle d1 kommt. Die beiden Kolbenhübe können gleich oder
verschieden sein.
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In Abb.2 ist das Zusammenarbeiten der beiden Kolben in einem Kolbendiagramm
veranschaulicht. In diesem Diagramm sind die Wege der beiden Kurbeln auf der Abszisse
und die entsprechenden Kolbenstellungen auf der Ordinate abgetragen. Man sieht,
daß durch diese Anordnung sich die Hubräume der beiden Kolben, was auch aus der
schematischen Darstellung nach Abb. i ersichtlich ist, überschneiden, d. h. die
Kolbenwege beider Kolben liegen teilweise ineinander. Aus d--m Diagramm sowie auch
aus den Abbildungen ist ersichtlich, daß die Kurbel dl in bezug auf ihre symmetrische
Stellung zu Kurbeld etwas voreilt. Eine solche Vor- oder Nacheilung erscheint im
Diagramm -(Abb.2) als Phasenverschiebung der wellenförmigen Kolbenbahnen. Am Ende
der Auspuffperiode ist dadurch die Kolbenba,!hn bi sehr nahe an Kolbenbahn b herangeschoben;
-die beiden Kolben kommen also sehr nahe zusammen, so daß die Verbrennungsrückstände
fast gänzlich entfernt werden. Andererseits bleibt am Ende der Verdichtung ein Raum
für das verdichtete Gemisch. Ohne Phasenverschiebung wäre der Raum am Ende der Ausströmung
gleich dem Verdichtungsraum wie bei gewöhnlichen Motoren, die Abgase würden also
nicht nahezu restlos aus dem Zylinder entfernt werden. Am Ende der Kompression laufen
annähernd 25° vor der inneren Totpunktstellung der Kurbel d beide Kolben eine kurze
Zeit mit annähernd gleicher Geschwindigkeit in derselben Richtung. Der Verbrennungsraum
wird dadurch länger in konstanter Größe gehalten, als es in gewöhnlichen Maschinen
bei gleicher Umdrehungszahl der Fall ist, so daß den Gasen Zeit gegeben ist, bei
annähernd gleichbleibenden Volumen zu verbrennen. Dieser Umstand macht die Maschine
besonders für hohe Umdrehungszahlen geeignet. Die Expansion des entzündeten Gemisches
erfolgt während einer halben Umdrehung der Kurbelwelle d. Die Gase expandieren hier
also während eines Kolbenhubes .auf ein mehr als doppelt so großes Volumen als bei
anderen Maschinen. Bis zu der bisher üblichen Ausdehnung ist also etwa nur die Hälfte
der Zeit erforderlich. Das bedeutet eine Verminderung der während der Ausdehnung
an die Wandflächen abgegebenen Wärme, welche der Zeit der Einwirkung der heißen
Gase auf die umgebenden Flächen proportional ist. Da die heißen Gasrückstände, wie
aus dem Diagramm ersichtlich, fast vollständig entfernt werden, so herrscht während
des Ansaugens fast Außentemperatur im Zylinder. Die Folge davon äst eine- bessere
Ansaugung und eine geringere Anfangs-und damit auch Endtemperatur der Verdichtung.
Außerdem kann der Verdichtungsraum etwas kleiner gehalten werden wegen des geringeren
Volumens der weniger heißen Füllung und weil der Teil dieses Raumes, der
sonst
von Rückständen eingenommen wird, fortfällt. Die hierdurch erzielte Ersparnis an
wärmeverzehrender Fläche wirkt wiederum günstig auf den Wirkungsgrad ein.
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Bei der in Abb.3 schematisch dargestellten Ausführungsform der Erfindung
wird der eine Kolben durch den Boden f eines frei schwingenden Zylinders g gebildet,
der unmittelbar mittels der Stangen lt mit der Kurbel dl verbunden ist. Der Kolben
b ist mittels der Pleuelstange c mit der Kurbel d verbunden. Die beiden Kurbeln
haben die gleiche Drehrichtung.
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Die Steuerung des Ein- -und Auslasses erfolgt unmittelbar durch eine
Zylinderöffnung i, die vor einer mit Schlitzöffnungen k, k1 versehenen Gleitfläche
arbeitet. Der Zylinder selbst ist an seinem offenen Ende mittels seitlicher Zapfen
t geradlinig in einer Gleitbahn m geführt. Auch hier sind beide Wellen d, dl zwangläufig
miteinander gekuppelt, so daß auf eine Umdrehung der Welle d eine halbe Umdrehung
der Welle dl kommt.
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Die vier Stellungen der beiden Kurbeln sind in Abb. 3 veranschaulicht.
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Stellung I ist kurz vor Beendigung des Auspuffes, Stellung II zeigt
Kolben und Zylinder am Ende des Einsaugens, in Stellung Ill tritt die Zündung ein,
und d?e Expansion bat begönnen, die in Stellung IV beendet ist.
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Auch für diese Ausführung trifft das Diagramm nach Abb. 2 zu.
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Wenn die Kurbeld auf dem inneren Totpunkt steht (Stellung I), so steht
die Kurbel dl ungefähr 9o° zum Totpunkt oder eilt aus dieser Stellung etwas vor.
Durch diese Voreilung ergibt sich die Möglichkeit, Zylinder und Kolbenboden am Schluß
des Auspuffes, nachdem die Kurbel d den inneren Totpunkt um etwa 25° überschritten
'hat, so nahe zusammenzuführen, wie es die Rücksicht auf die Sicherheit der Maschine
zuläßt. Auf diese Weise werden die Abgase nahezu vollständig entfernt, so daß der
Zylinder am Ende des Ansaugehubes mit reiner Ladung gefüllt ist.
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Die Steuerung entspricht ungefähr dem ventillosen Zweitaktmotor, indem
die Ein- und Auslaßöffnung i in ellipsenähnlicher Bahn vor einer Gleitbahn bewegt
und gegen diese abgedichtet ist, was beispielsweise durch ein kurzes, mit Kolbenringen
versehenes Rohr geschehen kann. - Die öffnung i gleitet während des Auspuffs über
den in der Gleitbahn befindlichen Schlitz k, an den sich das Auspuffrohr anschließt,
so daß die verbrannten Gase ungehindert auf geradem Wege entweichen können. Während
des Einsaugens greift die Zylinderöffnung i über den Schlitz k1, an den die Gemischleitung
angeschlossen ist. Nachdem die öffnungi die Aus- und Einlaßschlitze passiert hat,
werden diese durch eine am Zylinder befindliche Gleitplatte, die in der Zeichnung
nicht veranschaulicht ist, abgeschlossen.
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Ein weiterer Vorteil ist der, daß während des Arbeitshubes die verlängerte
Zylinderachse nicht durch die Welle d hindurchgeht (s. Stellung 11I), sondern daß
sie sich mehr dem Kurbelzapfen nähert. Die Folge davon ist ein geringerer Seitendruck
des Kolbens auf die Zylinderwand.